扶壁式桥台在市政桥梁中的应用

郑雨凡

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

扶壁式桥台在市政桥梁中的应用

郑雨凡

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

金湖大道工程设计中为配合河网建设沿线布置了多座中小桥，桥址处软土层较厚，文章通过工程实例，列举多种桥台形式，从结构受力、经济、施工等方面比较，最后选定扶壁式桥台做为项目的设计方案，简要介绍扶壁式桥台各构件的构造和计算特点，并结合金湖大道工程中的一座桥梁，对扶壁式桥台的主要受力构件采用不同计算方法进行分析。

市政桥梁；扶壁式桥台；软土地基；计算方法

1 工程概况

金湖大道工程位于莆田市湄洲北岸经济开发区，呈东西走向，西起城港大道，东至妈祖城环城路，沿途依次与石化路、通港大道、铁灶路、荔港大道、学府路、规划路相交，全长5 645.736m。其属于城市主干道，设计时速50km/h，城港大道至荔港大道段道路规划红线宽度为28m，双向4车道；荔港大道至环城路段道路规划红线宽度为40m，双向6车道。金湖大道是湄洲湾港口周边一条十分重要的疏港道路，承担着疏港道路过境交通需求，也是湄洲湾北岸经济开发区南片区规划的“三纵三横一环”道路骨架中的“一横”，是“东城西港”的连接枢纽。

在金湖大道设计过程中，为配合片区河网建设，根据莆田市滨海新城防洪防潮排涝规划报告及项目洪水影响评价报告，沿线共设置中桥5座，小桥1座。

根据规范要求，桥梁设计过程应遵循安全、耐久、适用、环保、经济和美观的原则，同时应考虑因地制宜、便于施工等因素。由于该项目桥梁均为跨越河道的中小桥，经过比较后，上部结构统一采用标准化程度高、施工方便的预制装配式结构，落在河道中的桥墩均采用阻水小的圆形柱式墩。

根据地质钻孔揭露，本项目场地地质覆盖有较厚的淤泥质土，揭示厚度为0.90m～ 17.40m，平均厚度为9.94m，浅层地基承载能力差，桥梁墩台基础需采用灌注桩基础。桥梁的上部结构和桥墩形式的方案选定后，根据项目实际情况选择合理的桥台形式成为本项目设计的重点。

金湖大道沿线桥梁跨越的河道断面均为矩形断面，护岸采用浆砌片块石挡墙，因此在桥台设计中应采用具有挡土作用的结构形式。

针对以上要求，本文列举4种桥台形式，从工程造价、施工等方面进行比较，选定扶壁式桥台为本项目的设计方案，并介绍扶壁式桥台的构造、计算特点等。

2 方案比较

2.1 桩柱式桥台

图1 桩柱式桥台构造图

桩柱式桥台结构如图1所示，由桩基、盖梁、耳背墙组成。桥台构造简单、受力明确，下部工程量小，基坑开挖和支护的工程量小，施工方便。桩柱式桥台可以采用先填土后施工桩基的方法，因此填土压实度高，可以有效减小填土沉降值及作用在桥台上的土压力。由于河道断面为矩形断面，台前无法设置锥坡，因此需在台前设置挡土墙以衔接河道。在桥台前设置挡土墙时，需加大桥梁的布孔长度，从而增加上部结构的梁高和上部结构的工程量；而市政道路的纵断设计往往受桥梁设计高度的控制，因此梁高的加大会造成桥梁范围标高的抬高，进而增加路基工程量。在施工过程中，如果河道与桥台桩基的施工顺序不当，河道开挖过程产生的淤泥流动会使桩基倾斜甚至发生断桩的情况。因此该项目不宜采用该形式桥台方案。

2.2 薄壁式桥台

薄壁式桥台如图2所示，是在台帽位置采用钢锚栓使桥台与上部结构连接，下部基础之间采用支撑梁连接而形成的框架结构，桥台台身形成一根上下均有水平支撑的竖梁来抵抗台后填土的作用，结构的受力体系大为改善，从而大大减小了台身的厚度，降低对地基承载力的要求。薄壁式桥台造型轻巧，桩基础采用单排桩，节约材料，施工过程开挖的基坑小，施工简单，造价经济，因此本方案优点明确。

图2 薄壁式桥台构造图

但在软土地基厚度大的桥梁中，薄壁式桥台的刚度小，抗倾覆能力差，桥台与支撑梁容易产生不均匀沉降，从而破坏结构的受力形式；而且薄壁式桥台的框架受力形式对桥台的施工顺序，上部结构与台身之间连接的施工质量均要求很高，实际工程中常因为施工不当而产生纵向变形过大、台身开裂等病害。在运营过程中，根据实际工程反馈，薄壁式桥台在台高大于5m时，在台身位置容易裂缝，从而降低结构的耐久性和安全性，影响桥梁的使用寿命，且由于金湖大道上部分桥梁为多孔结构，桥墩采用盖梁柱式墩，在桥台上无法设置支撑梁。

因此，该项目不建议采用薄壁式桥台。

2.3 U型重力式桥台

U型重力式桥台如图3所示，是桥梁上常见的一种桥台形式，其由台帽、侧墙、前墙和基础组成，主要特点是依靠桥台自身恒载来平衡外力使其保持稳定。U型重力式桥台的优点是取材方便，整体性好，刚度大，抗倾覆能力强，台身可采用片石混凝土或混凝土等圬工材料浇筑而成，构造简单，施工方便，工艺成熟，质量易控制。

重力式桥台的缺点是体积大、重量大，对基础的承载力要求高，基础所需的基坑的开挖量大，且由于其台身是由大量圬工材料组成，含筋量少，在回填土施工碾压、温度及混凝土收缩徐变等因素影响下，台身表面容易出现裂缝，从而影响桥梁结构的耐久性和安全性，这一现象在高、宽的桥台上较为明显。

由于该项目道路横断面宽，桥台较高，圬工工程量巨大，因此不建议采用U型重力式桥台。

图3 U型重力式桥台构造图

2.4 扶壁式桥台

图4 扶壁式桥台构造图

扶壁式桥台如图4所示，扶壁式桥台由台帽、前墙、扶壁、侧墙、承台、群桩组成，其构造特点是沿前墙长方向间距一定长度设置一道扶壁，从而改善了台身的受力形式，提高的整体性，优点是厚度小、自重轻、经济指标好。通过比较可发现，扶壁式桥台的前墙相当于薄壁式桥台的台身，而增加设置的扶壁可以提高前墙的抗弯刚度。水平荷载是由扶壁和前墙组成的框架结构来抵抗的，减小结构的弯曲变形，避免薄壁式桥台常出现横向裂缝，因此扶壁式桥台可适用于较大的高度。同时桥台采用承台双排桩基础，通过群桩基础来承受结构的水平、垂直荷载，群桩基础增加桥台结构的抗倾覆、抗推刚度，提高结构的稳定性，所以可以适用于各种地质情况。

但扶壁式桥台的缺点是构造相对复杂、施工受扶壁影响较不方便、基坑开挖面较大等。

由于该项目场地软土层较厚，台高较大，为更好地解决桥台的水平位移，以扶壁式桥台做为推荐方案。

3 扶壁式桥台计算分析

3.1 台帽

台帽搁置前墙和扶壁上方，为钢筋混凝土结构，其作用是搁置上部结构梁底及桥台搭板，将上部结构和桥台搭板上的各项荷载传递至扶壁上，设计厚度按60cm，设计一般采用构造配筋。

3.2 侧墙

侧墙设置在桥台的两侧，起到衔接桥梁结构与路基工程及横向挡土的作用，侧墙采用钢筋混凝土结构，侧墙的宽度需满足人行道格梁或防撞栏预埋筋的需求，侧墙长度根据桥梁两侧场地的填土高差设置。侧墙设计过程主要考虑承受土压力和活载产生的弯矩，在施工过程中，采取内外侧平衡回填、碾压的施工方法或在外侧设置支护的措施，以避免侧墙根部在施工过程中受到过大的土压力。

3.3 扶壁

扶壁是扶壁式桥台的主要受力构件，其间距一般取1/4～1/2台高，扶壁的厚度根据扶壁背面的配筋要求，一般为50cm～80cm，扶壁顶、底宽根据台帽、承台的构造尺寸拟定[1]。通过分析，扶壁结构承受的各项作用主要有：

(1)永久作用

①支座传递的上部结构、桥面系的恒载；

②桥台台帽、背墙的自重；

③桥台台后搭板的恒载；

④扶壁、前墙的结构的自重；

⑤台后回填土的侧压力。

(2)可变作用

①支座传递的台前汽车荷载；

②汽车的冲击力；

③汽车制动力；

④人群荷载；

⑤台后搭板上的汽车引起的土侧压力；

⑥温度作用；

⑦支座摩阻力。

(3)地震作用

扶壁结构主要受各项作用的竖向力、水平力以及这些作用产生的弯矩，其受力模型为底部嵌固在承台的偏心受压构件，计算方法根据前墙是否参与受力分为两种：

①考虑前墙与扶壁共同受力

如图5所示，以扶壁为中心，横桥向将扶壁与前墙切割成多个T形截面的单元体，扶壁做为T梁的腹板，前墙为T梁的翼缘。在竖直方向，T梁的梁高是变化的，T梁翼缘的计算宽度根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[2]4.2.2条规定采用，此T梁截面按偏心受压构件进行设计，其承载力计算应符合上述规范第5.2.3、5.3.6条规定，计算过程此处不再赘述。

图5 考虑前墙与扶壁共同受力计算模型

②不考虑前墙参与受力

如图6所示，计算中仅考虑扶壁单独受力，扶壁计算单元在为矩形截面结构，竖直方向矩形截面的梁高是变化的。此时前墙仅将受到的土压力传递到扶壁上，不提供抗力，计算时按矩形截面偏心受压构件进行设计，承载力计算根据JTG D62-2004规范[3]5.2.2及5.3.5条规定，JTG D62-2004。这种计算方法相对保守，但是计算简单。

图6 不考虑前墙参与受力计算模型

基此，本文以金湖大道K0+675.3中桥为例对两种计算方法结果进行比较，K0+675.3中桥上部结构为1孔20m装配式预应力混凝土空心板梁，桥梁横断面布置为5.5m人行道+17m行车道+5.5m人行道,斜交10°;下部结构扶壁式桥台台高4.5m，扶壁宽度0.6m，扶壁间距2.87m，底宽3m，前墙厚度为0.8m，桩基采用双排直径为1.0m的钻孔灌注桩，横桥向桩间距5.0m，纵桥向间距3.0m。桥台台后采用透水性材料回填，内摩擦角为35°，压实度不小于95%。取台身底截面进行验算，两种计算方法作用在桥台扶壁底截面各项作用如表1～表2所示。

表1 计算单元截面为T形单元时扶壁底截面各项作用效应值

表2 计算单元截面为矩形单元时扶壁底截面各项作用效应值

根据现行公路桥梁设计通用规范对各项作用效应按不同设计状态进行组合，得到两种计算方法作用在每个扶壁结构上的作用组合如表3所示。

表3 作用于台身底面处最不利组合作用效应

控制桥台台身裂缝宽度≤0.15mm，通过计算可知，计算单元截面为T形时需配置5根直径22mm的HRB400钢筋，计算单元截面为矩形时需配置10根直径22mm的HRB400钢筋，可见不考虑前墙参与受力的计算算方法较为保守。

3.4 前墙

扶壁式桥台结构的前墙起挡土作用，计算时仅考虑土压力的作用，上部结构竖向作用及其产生的弯矩由扶壁抵抗，此时可取前墙底处竖向1m高度做为计算单元，计算模型为以侧墙和扶壁为支撑的单向连续板，侧墙处的约束应模拟为刚性约束，前墙底部高度的土压力以均布力的方式加载在结构上。计算模型如图7所示。

图7 前墙计算模型图

3.5 承台及桩基

将承台底以上各种作用效应按规范进行组合，计算出承台底的最不利受力组合，并根据规范要求进行承台配筋、桩基验算，计算过程此处不再赘述。

4 结语

为配合城市河网建设而设的中小桥，其跨越的河道对净空往往要求较高，因此桥台设计成为了桥梁设计中的核心，设计过程应制定多种方案进行对比，从结构受力、经济效益、地质条件等方面综合比较，选择最优设计方案。

文章结合通过分析比较，在跨越矩形断面河道时，采用扶壁式桥台是较为合理的选择，可提高桥梁在较厚软土层中的安全性和耐久性。

由于扶壁式桥台构造较为复杂，是一个空间受力的框架结构，国内关于这种桥台的资料较少，笔者通过参考扶壁式挡土墙的受力特点，将桥台的空间力系简化为平面力系，结合工程实例对主要受力构件按现行桥梁规范要求进行分析计算。

[1] 曹利民.扶壁式轻型桥台设计 [J].公路，2005(2).

[2] JTG D60-2015 公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[3] JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

The application of buttressed abutment in municipal bridge

ZHENGYufan

(Fujian Provincial Architectural Design and Research Institute，Fuzhou 350001)

There were some middle and small bridges designed for river network during the design process of Jinhu Avenue.The soft soil layer under the bridges is thicker.Several different bridge abutment forms were compared from the respects of structure stress, economy and construction in this paper.The buttressed abutment was selected in this project at last.This article briefly introduced the structure and calculating specialty of buttressed abutment.The paper also analyzed the main bearing structural members of buttressed abutment by using different calculation methods.

Municipal bridge; Buttressed abutment; Soft soil foundation; Calculation methods

郑雨凡(1985.8- )，男，工程师。

E-mail:191637216@qq.com

2017-03-27

TU997

A

1004-6135(2017)06-0113-05